機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)凸輪機(jī)構(gòu)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)凸輪機(jī)構(gòu)第1頁(yè)/共49頁(yè)§3－1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和類型§3－2從動(dòng)件的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律§3－3凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角§3－4圖解法設(shè)計(jì)凸輪的輪廓小結(jié)本章教學(xué)內(nèi)容第2頁(yè)/共49頁(yè)第3頁(yè)/共49頁(yè)二、特點(diǎn)應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)中。（1）主要用于轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式凸輪

高副

從動(dòng)件往復(fù)移動(dòng)擺動(dòng)

（連續(xù)或間歇）

(轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)）（2）可實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊（3）設(shè)計(jì)方便（4）點(diǎn)、線接觸，接觸應(yīng)力大，易磨損，不適合高速、重載（5）凸輪的加工制造較復(fù)雜另外：由于受凸輪尺寸的限制，所以凸輪不適合用于從動(dòng)件工作行程較大的地方第4頁(yè)/共49頁(yè)三、分類1按凸輪的形狀分2按從動(dòng)件的形狀分3按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分4

按凸輪與從動(dòng)件維持高副接觸的方法分類第5頁(yè)/共49頁(yè)1按凸輪的形狀分盤形凸輪凸輪呈向徑變化的盤形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,應(yīng)用最廣泛移動(dòng)凸輪凸輪呈板型,直線移動(dòng)圓柱凸輪空間凸輪機(jī)構(gòu)凸輪輪廓做在圓柱體上空間運(yùn)動(dòng)推桿凸輪凸輪推桿推桿凸輪第6頁(yè)/共49頁(yè)2按從動(dòng)件的形狀分尖頂從動(dòng)件

尖頂始終能夠與凸輪輪廓保持接觸，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律易磨損，只宜用于輕載、低速滾子從動(dòng)件

滾動(dòng)摩擦，磨損小，承載大，傳力大。較常用平底從動(dòng)件潤(rùn)滑好，磨損小，受力平穩(wěn)，效率高。常用于高速運(yùn)動(dòng)配合的凸輪輪廓必須全部外凸第7頁(yè)/共49頁(yè)3按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分直動(dòng)推桿往復(fù)移動(dòng)軌跡為直線擺動(dòng)推桿往復(fù)擺動(dòng)軌跡為圓弧直動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件第8頁(yè)/共49頁(yè)4.按鎖合方式的不同(1)力鎖合─彈簧力、從動(dòng)件重力或其它外力等第9頁(yè)/共49頁(yè)2)型鎖合─利用高副元素本身的幾何形狀，如溝槽凸輪、等徑及等寬凸輪、共軛凸輪等。

第10頁(yè)/共49頁(yè)四、應(yīng)用實(shí)例：繞線機(jī)構(gòu)312A線動(dòng)畫第11頁(yè)/共49頁(yè)3皮帶輪5卷帶輪錄音機(jī)卷帶機(jī)構(gòu)1放音鍵2摩擦輪413245放音鍵卷帶輪皮帶輪摩擦輪錄音機(jī)卷帶機(jī)構(gòu)第12頁(yè)/共49頁(yè)132送料機(jī)構(gòu)動(dòng)畫第13頁(yè)/共49頁(yè)內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)畫第14頁(yè)/共49頁(yè)走刀機(jī)構(gòu)第15頁(yè)/共49頁(yè)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)動(dòng)畫第16頁(yè)/共49頁(yè)靠模車削機(jī)構(gòu)

第17頁(yè)/共49頁(yè)3-2

從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程二、從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律三、選擇運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)注意的問(wèn)題凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本任務(wù)

是根據(jù)工作要求選定合適的凸輪機(jī)構(gòu)的型式及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并合理地確定基圓等基本尺寸，然后根據(jù)選定的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪應(yīng)具有的凸輪輪廓曲線。其中，根據(jù)工作要求選定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，乃是凸輪輪廓設(shè)計(jì)的前提。第18頁(yè)/共49頁(yè)一、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是指從動(dòng)件的位移、速度、加速度等隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角j變化的規(guī)律基圓(以凸輪輪廓最小向徑所組成的圓)，基圓半徑r0推程，推程運(yùn)動(dòng)角Φ

遠(yuǎn)休止，遠(yuǎn)休止角Φs

回程，回程運(yùn)動(dòng)角Φ′

近休止，近休止角Φs'

行程（升程），hh運(yùn)動(dòng)線圖:

從動(dòng)件的位移、速度、加速度等隨時(shí)間t或凸輪轉(zhuǎn)角j變化關(guān)系圖第19頁(yè)/共49頁(yè)作圖過(guò)程第20頁(yè)/共49頁(yè)二、推桿常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律1等速運(yùn)動(dòng)2等加速等減速運(yùn)動(dòng)3余弦加速度運(yùn)動(dòng)4

正弦加速度運(yùn)動(dòng)注意：為便于理解各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性,本章將運(yùn)動(dòng)規(guī)律單獨(dú)應(yīng)用于推程或回程第21頁(yè)/共49頁(yè)1等速運(yùn)動(dòng)——一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程(0φΦ)運(yùn)動(dòng)方程：位移方程：速度方程：加速度方程：運(yùn)動(dòng)線圖hs00v0a0-Displacement

VelocityAcceleration

+適用場(chǎng)合：低速輕載運(yùn)動(dòng)特性：從加速度線上可以看出，在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的始末兩點(diǎn)，理論上加速度值由零突變?yōu)闊o(wú)窮大，致使從動(dòng)件受的慣性力也由零變?yōu)闊o(wú)窮大。而實(shí)際上材料有彈性，加速度和推力不致無(wú)窮大，但仍將造成巨大的沖擊，這種沖擊稱為剛性沖擊。第22頁(yè)/共49頁(yè)等速運(yùn)動(dòng)（續(xù)）回程運(yùn)動(dòng)方程：位移方程：速度方程：加速度方程：運(yùn)動(dòng)線圖運(yùn)動(dòng)特性：始點(diǎn)、末點(diǎn)剛性沖擊適用場(chǎng)合：低速輕載s0v0a00’-++-0hDisplacement

VelocityAcceleration

第23頁(yè)/共49頁(yè)位移線圖作圖方法第24頁(yè)/共49頁(yè)2等加速等減速運(yùn)動(dòng)—二次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程運(yùn)動(dòng)方程:運(yùn)動(dòng)線圖沖擊特性：起、中、末點(diǎn)柔性沖擊適用場(chǎng)合：低速輕載s00v0a0h/2h/20/20/2h(00/2)(0/20)加速段減速段位移方程速度方程加速度方程特點(diǎn):在起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)，因加速度有突變而引起推桿慣性力的突變，且突變?yōu)橛邢拗?，在凸輪機(jī)構(gòu)中由此會(huì)引起柔性沖擊。增加多項(xiàng)式的冪次，可獲得性能良好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律第25頁(yè)/共49頁(yè)3余弦加速度(簡(jiǎn)諧)運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)：當(dāng)一點(diǎn)在圓周上等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其在直徑上的投影的運(yùn)動(dòng)即為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。推桿推程運(yùn)動(dòng)方程式：推桿回程運(yùn)動(dòng)方程式：第26頁(yè)/共49頁(yè)運(yùn)動(dòng)線圖：123456O132456s1’2’3’4’5’6’1、建立坐標(biāo)系，并將橫坐標(biāo)6等分，以從動(dòng)件推成h作為直徑作半圓，并將其6等分。分別記作1、2、3、4、5、6。2、分別作這些等分點(diǎn)關(guān)于軸和s軸的垂線，分別倆倆對(duì)應(yīng)相交于1’、2’、3’、4’、5’、6’。3、光滑的連接1’、2’3’、4’、5’、6’，所形成的曲線即為從動(dòng)件的位移線圖。作圖步驟：hvoao運(yùn)動(dòng)特性：這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度在起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)有有限數(shù)值的突變，故也有柔性沖擊。適用場(chǎng)合：中速、中載。第27頁(yè)/共49頁(yè)運(yùn)動(dòng)線圖作圖方法第28頁(yè)/共49頁(yè)4擺線運(yùn)動(dòng)——正弦加速度運(yùn)動(dòng)推程運(yùn)動(dòng)方程：適用場(chǎng)合：高速輕載運(yùn)動(dòng)特性：由運(yùn)動(dòng)線圖可見(jiàn)，擺線運(yùn)動(dòng)的速度曲線和加速度曲線都是始終連續(xù)變化的，它沒(méi)有剛性沖擊，也沒(méi)有柔性沖擊.s,t,ta,tvhvmax2hamax6.28h2

2運(yùn)動(dòng)線圖第29頁(yè)/共49頁(yè)

(5)組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律

為了克服單一運(yùn)動(dòng)規(guī)律的某些缺陷，獲得更好的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，可以把幾種運(yùn)動(dòng)規(guī)律拼接起來(lái)，構(gòu)成組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合原則1、位移曲線、速度曲線必須連續(xù)，高速凸輪機(jī)構(gòu)加速度曲線也必須連續(xù)。2、各段運(yùn)動(dòng)規(guī)律的位移、速度和加速度曲線在連接點(diǎn)處其值應(yīng)分別相等。例：正弦加速度曲線與直線組合vs

a

,t,t,thOOO

vs

a

,t,t,thOOO

第30頁(yè)/共49頁(yè)§3－3凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角定義：壓力角—不計(jì)摩擦?xí)r，凸輪對(duì)從動(dòng)件作用力方向線nn與從動(dòng)件上力作用點(diǎn)的速度方向之間所夾的銳角。設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，除了要求從動(dòng)件能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還希望凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，受力情況良好。而這與壓力角有很大關(guān)系。OBω→F″↑，若α大到一定程度時(shí)，會(huì)有：→機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖。αnn一、壓力角與作用力的關(guān)系不考慮摩擦?xí)r，作用力沿法線方向。FF′F″F′----有用分力,沿導(dǎo)路方向F″----有害分力，垂直于導(dǎo)路F″=F′tgαF′一定時(shí),α↑Ff>F′Ff為了保證凸輪機(jī)構(gòu)正常工作，要求：α

<[α]動(dòng)畫第31頁(yè)/共49頁(yè)壓力角測(cè)量第32頁(yè)/共49頁(yè)

2.壓力角與凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系

壓力角對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的受力狀況有直接影響，在運(yùn)動(dòng)規(guī)律選定之后，它主要取決于凸輪機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)尺寸。CnnOBes0s2Drmin

dsd1vvPs2-對(duì)應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角1的從動(dòng)件位移對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)e0。結(jié)論:直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角與基圓半徑rmin、從動(dòng)件偏距e有關(guān)。第33頁(yè)/共49頁(yè)r0越小，凸輪機(jī)構(gòu)緊湊，但α越大，會(huì)造成αmax>[α]，所以r0不能過(guò)小r0越大，α越小，凸輪機(jī)構(gòu)傳力性能越好，但機(jī)構(gòu)不緊湊凸輪基圓半徑與壓力角的關(guān)系d:安裝凸輪處軸徑第34頁(yè)/共49頁(yè)第35頁(yè)/共49頁(yè)

工程上常常借助于諾模圖(Nomogram)來(lái)確定凸輪的最小基圓半徑。借助于諾模圖既可以近似確定凸輪的最大壓力角，也可以根據(jù)所選擇的基圓半徑來(lái)校核最大壓力角。hrb

等速運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.30.40.50.60.81.02.03.06.0hrb

等加速等減速運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.30.40.61.02.05.0

凸輪轉(zhuǎn)角5101525303540205060708090100200300350最大壓力角max510152520354555657585403050607080hrb余弦加速度運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.40.61.02.05.0510152520354555657585403050607080最大壓力角max5101525303540205060708090100200300350凸輪轉(zhuǎn)角hrb正弦加速度運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.40.61.02.05.0第36頁(yè)/共49頁(yè)諾模圖應(yīng)用hrb

等速運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.30.40.50.60.81.02.03.06.0hrb

等加速等減速運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.30.40.61.02.05.0

凸輪轉(zhuǎn)角5101525303540205060708090100200300350最大壓力角max510152520354555657585403050607080hrb余弦加速度運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.40.61.02.05.0510152520354555657585403050607080最大壓力角max5101525303540205060708090100200300350凸輪轉(zhuǎn)角hrb正弦加速度運(yùn)動(dòng)0.010.10.20.40.61.02.05.0

例一對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，

45o，h19mm，推程時(shí)從動(dòng)件以正弦加速度規(guī)律運(yùn)動(dòng)，推程壓力角30o，確定凸輪基圓半徑rb。

作圖得hrb0.26，rb190.2673.08mmhrb正弦加速度運(yùn)動(dòng)第37頁(yè)/共49頁(yè)§3-4

圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓一、凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理二、作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線第38頁(yè)/共49頁(yè)AAAAAAAAAAAAA一、凸輪廓線設(shè)計(jì)的基本原理解析法、作圖法相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理法:(也稱反轉(zhuǎn)法):對(duì)整個(gè)系統(tǒng)施加-w運(yùn)動(dòng)此時(shí)，凸輪保持不動(dòng)推桿作復(fù)合運(yùn)動(dòng)=反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(-)+預(yù)期運(yùn)動(dòng)(s)AAr0-r0第39頁(yè)/共49頁(yè)反轉(zhuǎn)法求位移線圖第40頁(yè)/共49頁(yè)二、作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線1.對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)已知凸輪的基圓半徑rmin

，凸輪角速度(逆時(shí)針)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。rbOs13578

60o120o90o90o60o120o1290oA90o91113151357

891113121410

①選比例尺l，作基圓rb。

②等分位移曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。345

67

818765432101191213141413121110915

③確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件尖頂在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。設(shè)計(jì)步驟

④將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。第41頁(yè)/共49頁(yè)2.偏置尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)已知凸輪的基圓半徑rmin

，從動(dòng)件偏距e,凸輪角速度(逆時(shí)針)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。eA

①選比例尺l，作基圓rmin和偏距圓e。

②等分位移曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。O6123457814131211109s13578

60o120o90o90o91113151357

891113121410

③確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件尖頂在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。

④將各尖頂點(diǎn)連接成一條光滑曲線。設(shè)計(jì)步驟k1k2k3k5k4k6k7k812345678k9k10k11k12k13k14k159101112131415動(dòng)畫第42頁(yè)/共49頁(yè)3.對(duì)心滾子移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)rbOA已知凸輪的基圓半徑rmin

，滾子半徑rT、凸輪角速度(逆時(shí)針)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。

①選比例尺l，作位移曲線和基圓rb。

②等分位移曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。理論輪廓曲線實(shí)際輪廓曲線s13578

60o120o90o90o91113151357

89111312141060o120o1290o90o345

67

818765432101191213141413121110915

③確定反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件滾子中心在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。

④將各點(diǎn)連接成一條光滑曲線。

⑤作滾子圓族及滾子圓族的內(nèi)(外)包絡(luò)線。

設(shè)計(jì)步驟動(dòng)畫第43頁(yè)/共49頁(yè)了解4.對(duì)心平底移動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)rbOA已知凸輪的基圓半徑rmin

，凸輪角速度(逆時(shí)針)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)該凸輪輪廓曲線。

①選比例尺l，作位移曲線和基圓rb。

設(shè)計(jì)步驟

②等分位移曲線及反向等分各運(yùn)動(dòng)角，確定反轉(zhuǎn)后對(duì)應(yīng)于各等分點(diǎn)的從動(dòng)件的位置。s13578

60o120o90o90o91113151357

89111312141060o120o1290o90o345

67

818765432101191213141413121110915

③確定反轉(zhuǎn)后平底與導(dǎo)路中心線的交點(diǎn)A在各等分點(diǎn)占據(jù)的位置。

④作平底直線族及平底直線族的內(nèi)包絡(luò)線。第44頁(yè)/共49頁(yè)§3-5解析法設(shè)計(jì)凸輪廓線自學(xué)作圖法的缺點(diǎn):繁瑣、誤差較大。解析法的優(yōu)點(diǎn):計(jì)算精度高、速度快，適合凸輪在數(shù)控機(jī)床上加工。解析法的設(shè)計(jì)結(jié)果:

根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和基本尺寸的設(shè)計(jì)結(jié)果，求出凸輪輪廓曲線的方程，利用計(jì)算機(jī)精確地計(jì)算出凸輪輪廓曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。第45頁(yè)/共49頁(yè)練習(xí)題1、一偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)如圖所示。已知凸輪為一偏心圓盤，圓盤半徑R=30mm,